Dr. Nico Kämpchen bei der Testfahrt
„Bitte übernehmen Sie!“
Hochautomatisiertes Fahren bei BMW
Eine Übersicht von S. Lay
München. Autobahn A9 München in Richtung Nürnberg und – wie so oft – hohes Verkehrsaufkommen. Der Autofahrer sitzt jedoch – trotz der lästigen Verkehrssituation – ungewöhnlich entspannt hinter dem Steuer. Grund dafür: Das Auto fährt hochautomatisiert, d. h. es bremst, gibt Gas und überholt ganz von alleine, jedoch tut es dies stets angepasst an die momentane Verkehrssituation. Der zweite Grund: Dr. Nico Kämpchen, der Projektleiter Hochautomatisiertes Fahren bei der BMW Group Forschung und Technik hat mit seinen Kollegen mittlerweile schon annähernd 5000 Testkilometer absolviert. Um den Autofahrern in Zukunft hoch komfortable und sichere Fahrzeuge mit modernsten Assistenzsystemen anbieten zu können, arbeiten die Ingenieure der BMW Group Forschung und Technik seit einigen Jahren am elektronischen Co-Piloten zum automatisierten Fahren in spezifischen Situationen wie dem BMW TrackTrainer auf der Rennstrecke, dem Stau- und Kolonnenassistent oder dem Nothalteassistenten. Um Grenzen und Möglichkeiten dieser automatisierten Fahrfunktionen ausloten zu können, machten sich die Forscher nun an die nächste Aufgabe: Hochautomatisiert auf der Autobahn.
Dazu haben die Forscher die nun hochautomatisiert fahrende BMW 5er Limousine, die als Versuchsträger dient, mit umfassender Umfelderfassung und intelligenter Software ausgerüstet. Die hochautomatisierte Fahrfunktion kann der Fahrer auf der Autobahn durch einen Knopfdruck aktivieren. Ab diesem Zeitpunkt gibt der Forschungsprototyp von alleine Gas, er bremst selbstständig und er überholt langsamer fahrende Verkehrsteilnehmer. Eine der großen Herausforderungen der ersten Stunde – nämlich auffahrende Fahrzeuge an Autobahnzufahrten – konnte über ein kooperatives Verhalten gelöst werden. Der Prototyp verhält er sich insofern kooperativ, dass er Fahrzeuge, die auf die Autobahn auffahren möchten, einfädeln lässt oder, wenn möglich, sogar die rechte Spur frei macht. Die Funktion ist derzeit bis zu einer Geschwindigkeit von 130 km/h ausgelegt, berücksichtigt aber natürlich die gültigen Verkehrsregeln wie Tempolimits, Rechtsfahrgebot und Rechtsüberholverbot.
„Für den Fahrer ist es eine völlig neue und ungewohnte Situation, die Fahraufgabe komplett in die Hände eines Systems zu legen. Aufgrund der sehr geschmeidigen, souveränen und sicheren Fahrweise hat man jedoch bereits nach einigen Minuten Vertrauen in das selbstständig fahrende Fahrzeug.“, erklärt Nico Kämpchen, Projektleiter Hochautomatisiertes Fahren bei der BMW Group Forschung und Technik. „Nichtsdestotrotz bleibe ich – der Fahrer – natürlich in der Verantwortung und beobachte jederzeit aufmerksam meine Umgebung.“
Damit das hochautomatisiert fahrende Forschungsfahrzeug im Straßenverkehr derart unauffällig und 
fließend agieren kann, müssen dem Fahrzeug klare Handlungsstrategien mit auf den Weg gegeben werden. Die Grundlagen für die Ableitung dieser Strategien bilden neben der zuverlässigen Lokalisierung des Fahrzeugs innerhalb der eigenen Fahrspur vor allem die robuste Erkennung aller Fahrzeuge und Objekte in der unmittelbaren Umgebung. Erreicht wird dies durch die redundante Fusion von verschiedenen Sensortechniken wie Lidar, Radar, Ultraschall und Kameraerfassung auf allen Fahrzeugseiten. Redundant heißt hier aber keineswegs „überflüssig“ – vielmehr bedeutet es, dass das Fahrzeug zur eindeutigen Situationserfassung in jede Richtung mindestens zwei unterschiedliche Messprinzipien nutzt. So stellen die Entwickler der BMW Group Forschung und Technik sicher, dass eventuelle Schwächen eines Sensors durch Stärken des nderen Sensors ausgeglichen werden.
Durch den Zugriff auf digitales Kartenmaterial, die Kamera sowie die Ortungsdaten des hochgenauen GPS weiß der selbstständig fahrende Forschungsprototyp nicht nur jederzeit, auf welcher Spur er sich befindet, sondern hat auch exakte Informationen darüber, wie die Strecke weiter verläuft und wie viele Spuren dieser Teil der Autobahn hat. Ergänzt wird diese Information durch die vorausblickende Kamera der Spurverlassenswarnung. Objekte nach vorne werden nicht nur über die Radarsensoren der Aktiven Geschwindigkeitsregelung mit Stop&Go-Funktion, sondern zusätzlich über Laserscanner erkannt. Gleiches gilt nach hinten und zur Seite.
Vorläufer und Basis – der BMW TrackTrainer und der Nothalteassistent.
Die maßgeblichen technischen Voraussetzungen für das hochautomatisierte Fahren entwickelten die Ingenieure der BMW Group Forschung und Technik in dem Vorläufer-Projekten „BMW TrackTrainer“ und Nothalteassistent. Mithilfe des BMW TrackTrainers ist es möglich, Rennstrecken in einem autonomen Fahrmodus zu bewältigen. Dabei kann aufgrund der hohen Genauigkeit bei der Lokalisierung neben dem sicheren auch ein dynamischer Fahrstil realisiert werden. Der TrackTrainer wird aktuell beim BMW Fahrer-Training eingesetzt, um den Trainingsteilnehmern das Gefühl für die Ideallinie in einem unmittelbaren Fahrerlebnis (hinter dem Steuer und nicht auf dem Beifahrersitz) zu vermitteln. Mit Hilfe einer Fusion der Daten aus hochgenauer digitaler Karte, sowie GPS- und Videodaten ist der TrackTrainer in der Lage, Rennstrecken für Schulungszwecke auf der Ideallinie komplett autonom zu umrunden. Das System wird inzwischen bereits in der zweiten Generation eingesetzt, wobei die Verfügbarkeit der hochgenauen Positionsbestimmung durch die Fusion redundanter Sensoren weiter optimiert wurde. Der permanente Abgleich der GPS- und Videodaten mit dem digitalen Kartenmaterial und den fahrzeuginternen Daten 
ermöglichte am 21. Oktober 2009 sogar die vollständige Umrundung der Nürburgring-Nordschleife im automatisierten Betrieb. Am 25. Mai 2011 eroberte der BMW TrackTrainer auch die USA und legte auf dem Laguna Seca Raceway in Kalifornien eine beeindruckend schnelle, dynamische, und natürlich hochautomatisierte Fahrt hin.
„Den größten Unterschied zur Autobahnfahrt stellt natürlich die Tatsache dar, dass wir auf der Autobahn im Gegensatz zur Rennstrecke nicht allein unterwegs sind. Deshalb waren auch die Erfahrungen aus dem Projekt Nothalteassistent wichtig für unser Vorhaben.“, schildert Nico Kämpchen den Einfluss.
Auch mit dem prototypisch realisierten BMW Nothalteassistent wurde also ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung hochautomatisierter Fahrfunktionen gelegt. Die Funktion ist Teil der im Mai 2009 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gestarteten Initiative SmartSenior und nutzt innovative Technologien für die Lokalisierung und Steuerung des Fahrzeugs sowie für die Analyse der unmittelbaren Umgebung zur Steigerung der Verkehrssicherheit. Der Nothalteassistent ist in der Lage, wenn eine gesundheitlich bedingte Notfallsituation des Fahrers erkannt wird, in einen autonomen Fahrmodus zu wechseln, um ein abgesichertes Nothaltemanöver zu absolvieren. Zu diesem Zweck aktiviert das System die Warnblinkanlage, manövriert das Fahrzeug kontrolliert und in Abhängigkeit vom Verkehrsgeschehen an den rechten Straßenrand, wo es anschließend zum Stehen kommt. Zusätzlich wird automatisch ein Notruf zur Einleitung der notwendigen medizinischen und verkehrstechnischen Hilfsmaßnahmen abgesetzt, um eine effiziente und bedarfsgerechte Notfallversorgung zu ermöglichen. Dieser basiert auf dem bereits serienmäßig erhältlichen erweiterten Notruf von BMW ConnectedDrive. In diesem Projekt wurde die Basis für die Umfelderfassung, die auch für die hochautomatisierte Autobahnfahrt eingesetzt wird, gelegt.
Automatisierte Zukunftsszenarien - Der Park- und Stauassistent von BMW ConnectedDrive im BMW i3 Concept.
Das hochautomatisiert fahrende Fahrzeug dient der Erforschung zukünftiger Assistenzfunktionen. Beispiele sind die im BMW i3 Concept vorgestellten Systeme Park- und Stauassistent. Aufgrund des hauptsächlichen Einsatzgebietes des BMW i3 Concept besitzt das Fahrzeug zwei Fahrerassistenzsysteme, die das Fahren in urbanen Bereichen erleichtern – den Parkassistenten und den Stauassistenten. Der Parkassistent nimmt dem Fahrer den Einparkvorgang vollständig ab. Das Fahrzeug gibt selber Gas und bremst, und wechselt bei 
Bedarf beim mehrzügigen Einparken auch selbsttätig die Fahrtrichtung. Der Stauassistent dagegen entlastet den Fahrer in eintönigen Verkehrssituationen und erlaubt, im Verkehrsgeschehen „mitzuschwimmen“ und so entspannter durch den Stau zum Ziel zu kommen. Der Stauassistent hält den gewünschten Abstand zum Vorderfahrzeug und regelt im dichten Verkehr die Geschwindigkeit selbsttätig bis zum Stillstand – und lenkt dabei aktiv mit. Das Fahrzeug ist damit in der Lage, den Fahrer bis zu Geschwindigkeiten von 40 km/h bei der Spurhaltung zu unterstützen, sofern der Fahrer mindestens eine Hand am Lenkrad behält.
Die hochautomatisierten Fahrten auf der Autobahn liefern wichtige Erfahrungen im Umgang mit den Technologien zur Längs- und Querführung, aber vor allem auch hinsichtlich der Entwicklung von Handlungsstrategien.
„Das Nächste, die wir unserem Prototyp ‚beibringen‘ wollen, sind der Umgang mit Baustellen und Autobahnkreuzen. Gerade bei Baustellen stellt sich uns noch die Frage, wie wir alle vielfältigen Formen zuverlässig erkennen, lokalisieren und die jeweils entsprechende Handlungsstrategie ableiten.“ Nico Kämpchens Arbeit und die seiner Kollegen ist also noch nicht abgeschlossen.
Lösungen für neue Herausforderungen auf Chinas (Stadt-) Autobahnen.
Ein nächstes Forschungsprojekt wird künftig nun auch in China den Weg für hochautomatisierte Fahrfunktionen bereiten.
In den kommenden Jahren baut die BMW Group prototypische Versuchsfahrzeuge für das hochautomatisierte Fahren auf chinesischen Straßen auf. Während in Europa unter anderem Tunnel, Ländergrenzen und Mautstellen zu bewältigen sind, kommen in den schnell wachsenden chinesischen Metropolen zum Beispiel mehrstöckige Fahrbahnen als weitere Herausforderungen auf die Ingenieure zu. BMW stellt sich damit der neuen technischen Herausforderung, denn erst die uneingeschränkte Kompetenz bei der Beherrschung der technischen Grundlagen kann dazu beitragen, die rechtlichen Rahmenbedingungen für hochautomatisiertes Fahren zu schaffen.
Als Partner in China hat die BMW Group für dieses weitere anspruchsvolle Forschungsprojekt den Internetkonzern Baidu, unter anderem Betreiber der größten Suchmaschine in China und zudem Anbieter von Kartendiensten- und Cloudservices, gewonnen. Aus der Zusammenarbeit werden Prototypen entstehen, die in einer ersten Stufe hochautomatisiert auf den (Stadt-)Autobahnen in Peking und Shanghai fahren können.
Nachfolgend erläutern wir ihnen den Entwicklungsstand bei BMW zum hochautomatisierten Fahren und sie sehen, welch beeindruckende Dinge schon heute in Forschungsprototypen erlebbar sind:
Laserscanner
Vorne, hinten, links und rechts - insgesamt vier Laserscanner messen die genauen Distanzen zu anderen Objekten und erkennen Größe und Geschwindigkeit sowie das gesamte Umfeld des Fahrzeuges. So kann sich das Fahrzeug ein Bild davon machen, welche Bereiche befahrbar und frei von Hindernissen sind.
Kamera
Die im Innenspiegel installierte Serienkamera kann die Position anderer Verkehrsteilnehmer bestimmen und erkennen, ob es sich um einen PKW, LKW, ein Motorrad oder Fußgänger handelt. Zusätzlich erkennt sie die Fahrbahnmarkierung und liefert so Informationen über die Position des Autos innerhalb der Spur.
Radar
Der sowohl vorne als auch zweimal hinten installierte Radar misst mit Radarwellen die Positionen von anderen Fahrzeugen und erkennt, aus welcher Richtung sie kommen, in welcher Distanz sie sich befinden und mit welcher Geschwindigkeit sie sich bewegen.
Ultraschall
Die Ultraschall-Sensoren erkennen die sich in unmittelbarer Nähe befindenden Hindernisse und andere Fahrzeuge. An jeder Fahrzeugseite finden sich zwei Sensoren, jeweils einer am vorderen Kotflügel sowie am hinteren Ende des Fahrzeugs.
GPS
Das GPS positioniert das Fahrzeug auf einer Karte, die Informationen über z.B. die Anzahl an Fahrspuren oder Ein- und Ausfahrten enthält. So kann die Position spurgenau bestimmt werden. Und im Zusammenspiel mit der Kamera weiß das Fahrzeug, wie nah es einer anderen Spur oder dem Standstreifen ist.
Intelligenz
Im Kofferraum findet sich das Gehirn des Fahrzeugs: Basierend auf den gesammelten Informationen wird 
dort über die Fahrstrategie und das Fahrverhalten des Fahrzeugs entschieden. Die Regelungstechnik bedient Lenkung, Gas und Bremse und setzt so die Befehle der Fahrstrategie um.
Zusammenspiel
Es ist nicht eine einzige Technologie, die das hochautomatisierte Fahren ermöglicht, es ist das Zusammenspiel von allen. Jeder einzelne Sensor liefert Daten an das Umfeldmodell, das diese zu einem 360°-Modell der Fahrzeugumgebung fusioniert. Die Fahrstrategie errechnet daraus die nötigen Fahrmanöver.
(© alle Bilder BMW)